车载无人机应急测绘系统建设
车载无人机应急测绘系统建设81 引言我国是一个自然灾害频发国家，孕灾环境复杂、类型多样、破坏性严重、影响范围大。及时提供灾区的基础地理信息，获取灾区的灾害信息，为国家各级政府部门组织和开展应急救灾工作提供基础测绘成果， 是测绘工作者的重要职责。然而，一旦重大灾害发生时，往往还会造成道路不通、通信不畅等状况，第一时间国内外各种成像卫星轨道都不可能立即经过灾害突发地区，无法尽快获取灾区遥感信息；由于灾害破坏巨大导致的地面电讯系统中断，阻碍了各级应急指挥中心与灾区现场的通信，影响救灾方案的制定与落实。为了解决应急测绘中航空遥感数据快速获取、快速处理、快速远程传输等环节的装备和技术滞后的问题，国家测绘地理信息局提出研制应急测绘车的构想，以期实现测绘无人飞机第一时间到达现场，拍摄灾区影像，现场及时处理数据并实时传输至指挥中心，提供有关部门辅助救灾救援决策。本文基于构建机动、灵活、快速的移动式应急测绘服务保障装备的思想，基于车载平台，集成应急测绘任务规划、无人机遥感数据获取、遥感数据快速处理与制图输出、数据远程传输等子系统，形成灾区遥感影像的快速获取、现场及时处理和输出、即时远程传输等能力，为救灾工作提供及时、快速的测绘保障服务。2 系统总体设计2.1 技术指标设计测绘型无人机遥感系统到达现场后，2 小时完成 20km2，520 厘米分辨率遥感影像获取任务；监测型无人机遥感系统到达现场后，0.5 小时开始获取现场高清视频影像，并实现地面实时显示。测绘无人机遥感影像的快速拼接与纠正，制作 DOM。3 小时内完成 20km2（0.1 米分辨率约 400 个像对）影像处理。现场制图，提供 A1 幅面地图打印输出。影像数据传输效率 2G Byte/小时，相当于覆盖近 60km2，0.1分辨率 DOM 数据量（JPG 格式）；视频数据实时远程传输和显示。现场工作持续供电，不少于 10 小时。2.2 总体框架设计该系统由应急地理信息基础数据库与任务规划系统、现场数据采集系统、无人机应急遥感数据快速处理系统、应急数据远程传输系统、车辆运输及保障系统等 5 个系统构成。总体框架如图 1 所示：图 1 总体框架图3 分系统设计3.1 应急地理信息基础数据库与任务规划系统提供应急基础地理信息，构建灾前、灾后可视化的地理环境，制定航摄计划和设计飞行航线，辅助开展现场无人机应急测绘任务规划；基础数据还可作为控制资料，辅助无人机航摄遥感影像的快速数据处理。3.2 现场数据采集系统包括测绘型、监测型两型无人机遥感系统和地面视频监测系统：3.2.1 测绘型无人机遥感系统用于快速获取 5-20 厘米的高分辨率遥感数据，系统包括：飞行平台、弹射架，飞控系统（电台和自动驾驶仪）、相机系统、地面监控站组成，如图 2 所示：图 2 测绘无人机遥感系统构成该测绘无人机性能指标要求为：轻型无人机，适于车辆运输；足够续航时间，不少于 3 小时；起、降灵活，适应复杂地理环境；适宜 3000m 以上高原飞行 ；搭载轻型测量型相机；配置双频 GPS 自驾仪。3.2.2 监测型无人机遥感系统用于低空快速获取灾区连续视频影像，并实时传输至车载接收站进行实时显示。该系统由无人机飞行平台、地面站系统、两轴云台、供电系统以及数据采集与传输系统构成。图 3 监测型无人机系统构成该监测无人机系统性能指标要求为：机体轻小，携带方便；弹射起飞，伞降或撞网回收；测控半径 20km，续航时间0.75h；两轴稳定凝视或正视云台，搭载小型视频摄像头；机上视频图像实时发射，图像传输距离15km。3.2.3 地面视频监测系统用于地面快速获取灾情的视频影像，并实时传输至车载接收站进行实时显示。系统构成分两部分：前端部分包括摄像机，视频发射无线图传设备；后端监控工作站部分包括视频接收无线图传设备，计算机和监控软件。系统性能指标要求为：实时、完整、真实将前方视频影像通过无线网络传至应急车载系统显示，同时实时传回指挥中心；设备在强风、大雨等恶劣条件下正常工作，携带方便；影像资料传输快速、可靠、无障碍；指挥中心视频影像显示实时、清晰、准确。3.3 无人机应急遥感数据快速处理系统通过低空无人机航空影像数据处理系统、基于航空影像区域连续立体模型的信息快速解译系统、应急测绘影像制图输出系统、基于视频流的关键帧影像快速拼接与量测系统的集成，建立应急数据处理业务流程，制作灾区数字正射影像图，构建区域连续立体模型判读解译系统，拼接大范围视频影像，并实现现场打印输出。3.3.1 低空无人机航空影像数据处理系统实现从预处理、自动空三、正射影像纠正、正射影像自动拼接的数据处理流程。自动空三方法可根据测区实际情况进行选择，包括自由网空三、GPS 辅助空三、稀少控制点空三，IMU/GPS 辅助无面控制空三等多种方法。系统可输出空三成果、DOM 等多种成果。3.3.2 基于航空影像区域连续立体模型的信息快速解译系统利用无人机航摄影像和空三加密成果快速构建飞行区域的区域连续立体模型，建立立体影像判读系统，实现基于立体影像的地理分析、信息提取和标注。3.3.3 应急测绘影像制图输出系统利用现场制作的数字正射影像图、应急基础地理信息数据库、立体影像解译成果，快速标注重点目标信息，整饰地名、境界、路网、水系等地理框架要素，制作灾情专题图，并现场打印输出。3.3.4 基于视频流的关键帧影像快速拼接与量测系统视频影像关键帧自适应快速提取，高变形状态下影像自动匹配及高精度快速拼接；以应急地理信息数据库影像为控制资料，实现快速地理编码，生成可量测影像，并与灾前影像比对分析。3.4 应急数据远程传输系统基于车载平台，利用卫星宽带通信手段，实现与远程应急指挥中心的视频、语音通讯，并实现海量影像数据和实时视频影像的远程传输，向指挥中心及时提供现场测绘成果。3.4.1 系统构成和工作模式应急数据远程传输采用卫星通信系统实现。该系统由通信中心站、移动站和通信卫星组成，系统构成如图 4 所示：卫星监测型无人机测绘型无人机省级 中心站地面视频采集系统应急车载移动站图 4 应急通信系统工作模式测绘局中心站测绘无人机获取的影像，落地后并交由地面应急车处理系统生成数字正射影像(DOM)，再由车载通信系统通过卫星发往指挥中心。监测无人机空中获取视频影像，通过无线短波实时发往地面车载视频接收站并显示，同时将实时视频由通过卫星传输发往指挥中心。地面视频采集系统地面获取视频影像，通过无线短波实时发往地面车载视频接收站并显示，同时将实时视频由通过卫星传输发往指挥中心。3.4.2 中心站建设方案中心站主要接收移动站发出的遥感影像、实时视频、语音等信息，设备链路图如下所示：图 5 卫星通信中心站设备链路图中心站建设于国家测绘局，天线通过基建安装于楼顶，接收数据直接接入测绘局内部网络服务器。3.4.3 移动站建设方案移动站用于向中心站发送数据。要求在车辆静止状态下，通过通信卫星将图像、视频、话音（供车内局域网接入专网或 Internet 网）传输到指挥中心，实现实时远程监控图像传输和数据传输等功能。移动站采用静中通通信方式。卫星天线、功放固定安装于车顶，平常可收拢，使用时展开，一键对星， 对星时间小于 2 分钟。卫星解制调节器、TCP/IP 加速器和语音网关等设备部署于车内的机柜中，与数据处理系统进行硬件集成，构成处理-传输的快速通道。设备链路如下图所示：图 6 卫星通信移动站设备链路图3.5 车辆运输及保障系统该系统为应急测绘无人机数据获取及处理、传输系统提供长距离运输保障、现场应急数据处理工作环境。主要包括现场供电设计、系统集成等保障工作。3.5.1 供电系统外接市电供电 在有条件情况下（距车 30 米内有市电时）尽量使用市电，即利用车上电动电缆盘把市电引入车载供电系统，完成系统由市电供电方式。车载发电机供电 当不具备市电接入时，即可启动车载发电机。选用足够功率供应车内所有设备同时工作的发电机，并进行二次减振、隔音及吸音处理，减低发电机的振动和噪声，为操作区提供一个比较安静的工作环境。不间断 UPS 电源 选用在线 UPS，确保在供电出现故障的情况下，保障车载主要设备能正常工作 30分钟左右，以便在不损坏设备前提下可以采取应对措施。3.5.2 系统集成（1） 硬件集成。测绘型无人机测绘无人机地面监控站弹射架 监测型无人机监测无人机地面监控站地面视频采集系统喷墨打印机视频编解码器影像传输线路网络连通线路 视频监控笔记本供电线路千兆网路交换机卫星调制解调器1717寸显示屏图形工作站视频矩阵3223寸显示屏高级图形工作站发电机图形工作站4 U1719寸显示屏空调卫星天线影像制图输出系统连续立体模型快速解译系统PIXELGRID影像快速处理系统数据库和航摄任务规划实时视频显示和拼接处理系统图 7 车载设备集成方案（2） 空间布局设计。依据车辆空间，在确保载重、车辆平衡符合要求的前提下，进行车辆改装和布局各系统设备。要求：1）设计导轨灵活拆卸无人机及弹射架；2）载货空间与工作空间分离；3）至少适宜两人同时工作工作台；4）整体设计紧凑，空间布局合理；5）对安装系统设备专用的机架进行减振处理。4 系统工作流程及新型应急测绘产品4.1 工作流程本系统面向应急测绘保障服务，以快出应急测绘产品、快速提供服务为目标，快而能用是系统效能的核心。整个保障工作由各分系统密切配合完成，那么完善的工作流程，紧凑密切、合理的分工协作就是成败的关键。根据各分系统的功能和数据输入、输出的接口，设计应急测绘保障服务的工作流程。图 8 车载应急测绘系统工作流程4.2 应急测绘产品形式（1） 测绘无人机航摄原始航片：提交后方精处理，生产标准测绘产品。（2） 测绘无人机航摄数字正射影像：现场粗纠正，快速拼图生成的产品，服务应急之需。（3） 监测无人机连续视频影像：服务灾情实时监测，为现场或远程指挥中心应急救灾提供第一手现场影像资料。（4） 基于视频影像关键帧提取后拼接形成的大范围灾区影像：服务灾情实时监测，为现场或远程指挥中心应急救灾提供第一手现场影像资料。（5） 区域连续立体模型判读解译系统：利用测绘无人机航摄立体相对，现场快速构建的数字化实景立体影像产品，为了解灾情提供直观的立体判读环境。（6） 灾区地理环境三维可视化系统：利用现场制作的灾情影像，快速生成三维系统。（7） 彩色打印纸图。5 应用前景分析测绘保障服务在重大自然灾害和公共事件灾害的应急救灾工作中的作用日益凸显，国家测绘地理信息局已规划在“十二五”期间，解决面向应急测绘的航空遥感数据获取、处理与灾情服务等关键环节的高新技术及装备滞后的问题，构建更加完善、高效的应急测绘保障服务体系。本项目建设的车载无人机应急测绘系统可极大提高应急测绘保障中数据的获取能力、处理效率和应用效率，国家测绘地理信息局计划首批分片区在东北、西北、西南、华北、华东、华南布设 6 个点，开展示范应用与推广。该系统作为一种集成了遥感、地理信息系统、全球定位系统、网络通信技术的新型应急测绘保障装备，在今后我国的应用测绘保障中具有广阔的应用前景。参考文献1 无人机影像快速处理系
